论文总字数：12589字

摘 要

车库闸机是一种专门用于限制车辆通行的出入口管理装置，科技不断提高，智能闸机出现在人们视线，通过与自动门的往年研究对比，运用PLC在自动化行业中的优势，以PLC作为控制器，设计无人值守的车库闸机控制系统，先选择合适的地感线圈、车辆检测器、人体红外感应器等感应元件及系统驱动装置电机，本课题采用刷卡来完成身份确认，对工作过程进行分析，编写完成控制程序，设计出稳定性、安全性、可靠性高的闸机，多次对程序进行仿真调试，实现功能需求。

关键词：车库闸机；PLC；控制系统

The design of garage gate’s control system based on PLC

Abstract

Garage gate is a kind of entrance and exit management device specially used to restrict the passage of vehicles. With the continuous improvement of technology, intelligent gates appear in people's sight. Through the comparison with the previous years of automatic doors, the advantages of PLC in the automation industry are used. Controller, design the unattended garage gate control system, first select the appropriate ground sensing coil, vehicle detector, human body infrared sensor and other inductive components and system drive device motor. In this subject, swipe the card to complete the identity verification. Analyze the process, compile the control program, design the gate with high stability, safety, and reliability. Simulate and debug the program many times to meet the functional requirements.

Keywords: Garage gate; PLC; Control system

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 概 述 1

1.1国内发展现状 1

1.2课题研究背景 1

1.3课题研究意义 1

第二章 基于PLC的车库闸机控制系统总体方案设计 3

2.1 车库闸机的功能需求 3

2.2 车库闸机的控制要求 3

第三章 车库闸机控制系统的硬件设计 5

3.1 车库闸机控制系统的组成 5

3.2 可编程逻辑控制器（PLC）的选择 5

3.2.1 PLC的特点 5

3.2.2 输入输出I/O点数估算 6

3.2.3 经济方面的考虑 6

3.2.4 PLC储存容量的估算 6

3.3感应器件的选择 6

3.3.1 地感线圈车辆检测器的选择 6

3.3.2 IC卡的选择 6

3.3.3 人体红外感应器 7

3.4 电机的选择 7

3.5 车库闸机控制系统I/O分配表 7

3.5 车库闸机控制系统原理图 8

第四章 车库闸机控制系统软件的设计 10

4.1 工作过程 10

4.2 梯形图程序设计介绍 10

4.3 梯形图程序 10

4.3.1开机初始化，复位内存 10

4.3.2 闸机开启 11

4.3.3 闸机关闭 12

4.3.4报警 13

4.3.5复位合法刷卡标志 14

第五章 程序测试和仿真 15

5.1 系统调试与仿真 15

5.1.1 启动系统 15

5.1.2 合法刷卡系统 15

5.1.3 自动开闸 16

5.1.4 开闸到位停止开闸 17

5.1.5 自动关闸 18

5.1.6 关闸到位停止关闸 19

5.1.7手动开闸 20

5.1.8 手动关闸 22

5.2 仿真结果总结 24

第六章 总结与展望 25

致谢 26

第一章 概 述

1.1国内发展现状

在这个经济和科技快速发展的时代，高楼大厦、银行、购物中心、办公大楼等人流车流密集的地方，自动门已经随处可见，它与我们的生活息息相关。自动门的工作模式是通过自动门内侧和外侧的传感器开关来感知人的进出。当人走进自动门的探测范围内时，探测器会检测到人的位置，并且将开门信息传送给主机。然后系统向驱动设备来发送指令来驱动门打开。然后探测到人走过后，门执行关闭指令，通过程序指令不断循环，在通电后，可以做到智能的无人管理状态，这样不仅做到了人员简单的出入，结合PLC的优点还可以降低噪音，防风防尘，使自动门不仅智能还更加人性化^[1]。

自动门早期在国外被广泛使用，后来以其优异性能被中国逐渐认识，车库智能闸机与自动门有相似的原理。中国已迎来了自动门发展的黄金时代，而智能闸机也将在生活中越来越多出现。

智能闸机是在普通闸机的基础上增加智能设计，它是一种专门用于限制车辆通行的出入口管理装置，为了在上、下班、休假等高峰期能提高进出车辆的速度，通过一些探测设备来避免闸机对人体或过往车辆造成伤害，合理使用闸机可减少劳动力成本，也方便人们的出行，由此智能车库档杆或闸机应运而生，其有着广阔的应用前景。可根据安装使用的场景匹配多种不同的配置，实现对场所的智能控制，为人员通行提供一种文明通行通道。随着人们越来越认同智能物联网，合理使用人工智能设备管理出入通道，既能节省劳动力，又能缩减进出车库的时间，其优势不言而喻。

1.2课题研究背景

汽车产业和运输产业的持续发展以及汽车数量的增加,所以车库的存在使人们的相应需求也增加了，自动门或者车库闸机可以更好地管理车辆的出入，因此车库的闸机的需求也日益增大，对闸机的性能要求也越来越高。最初的车库管理是手动操作的，这不仅减缓了进出车库的速度，降低了工作效率，消耗了劳动力，还造成了高峰期的交通堵塞，给出门等活动带来了很大的麻烦^[2]。

随着经济建设的不断发展，对智能控制系统的需求不断提高，则对控制系统功能要求也更加严格。城市铁路运输系统、大规模办公大楼、企业工厂、学校等地方大幅增加的同时，相应的设备也应加大投入，城市化进程不断加快，人性化及智能化的安全保护产品等需求越来越多，政府也加大了对这些设施的投资^[3]。本课题研究的闸机对于人流及车流的控制有着不可替代的作用，添加必要的安全设备，也会越来越受到人们的青睐。

1.3课题研究意义

在自动门控制系统发展早期，系统是由使用继电器逻辑控制，因为在面对规模较大的系统时，功能元件使用数量较多，所以该方式造成安装麻烦、体积大、不稳定性、维修难度大等缺点，现已渐渐退出自动化的舞台。相对于继电控制来说，PLC在自动化行业越来越突出，也显示出它的很多优点，用户通过可编程的存储器，使用梯形图语言来编写程序指令，来执行逻辑、顺序、定时、计数等操作。根据PLC主机型号不同，基本配置的数字量输入输出口、可扩展模块也不相同。通过分配数字量或模拟量来逻辑控制系统的输入及输出，因此PLC具有功能强大、高性价比、编程和使用方便、安装和维修简单等显著优点。目前，PLC在机械制造、汽车、轻工业等领域应用广泛，其在自动化发展过程中不可忽视^[4]。

司慧玲在《基于PLC的自动门控制系统的设计》中设计了自动门控制系统，其中当人体或物体信号被探测器检测到时，PLC立即收到被发送来的信号，它根据输入信号发出相应的输出信号，输出信号传给外部电路，控制驱动运行，再通过传动装置使自动门开启或关闭^[5]。孙康岭等在《基于PLC的自动门控制系统设计》对人体感应探测器有相应的研究，将人体恒定体温与探测器相结合，体温37℃会发出红外线（波长为10μm左右）。人一旦进入探测区，探测器立即产生相应的信号，该硬件可以用来防止出现安全事故^[6]。姚松丽在《基于立体车库实验装置的智能化改造》通过对刷卡通讯系统的研究，确定了IC卡及PLC之间的关系，最后确定了其主要在于相互之间连接通讯，进出入的车辆被相应的信息传输^[7]。那锐等在《IC卡机房管理系统的设计》中进行了IC卡的研究，IC卡也叫做智能卡，根据内置在卡中的各种集成电路、线路的不同，接触型存储器卡在日常生活中被普遍使用，虽然安全性不高，但因费用低廉，所以被广泛使用^[8]。本系统可采用普通的接触型存储器卡。阎纲在《基于MSP430单片机的红外遥控器设计》中有遥控相关的红外通信的研究，使用红外线作为通信载体，方法是通过红外光在空中的传播来传输数据^[9]。

本课题的车库闸机控制系统的设计主要运用PLC作为主控制器，通过编写程序指令，再结合相应的硬件系统，完成闸机开关、刷卡通行等功能，既能提高车库闸机使用的稳定性和经济性，也增加车库闸机的使用率。推动闸机行业的发展，扩大PLC在自动化行业的应用，本课题有一定的经济和理论研究价值。

第二章 基于PLC的车库闸机控制系统总体方案设计

2.1 车库闸机的功能需求

本设计是面向车库入口的应用，所以稳定性、安全性、可靠性是需要考虑的主要因素。根据车库对闸机的要求，本课题设计的车库闸机应有以下功能：

（1）开门控制应有手动和自动方式两种

为了方便维护与更加人性化，车库闸机应具有自动和手动方式。在本课题设计中，主要靠地感线圈、车辆检测器以及IC卡来给PLC信号，使控制系统运作，完成闸机开启动作。在车库闸机实时信号出现错误时，可以通过手动遥控来解决。

（2）急停按钮

通过闸机通道时，如果发生安全事故立即按下急停按钮，可以停止闸机所有动作。待事故解除后可以让车闸继续工作，可以用来保证人员安全。

（3）报警

在通过闸机通道时，每辆车主均需刷有效的IC卡，方可通行，如果刷了无效的卡或者忘记刷卡都会触发报警，直到刷卡成功，报警即可解除。

图2.1 控制系统示意图

2.2 车库闸机的控制要求

图2.2 主要控制功能

（1）打开电源，闸机系统进入工作模式。

（2）合法刷卡后，闸机系统传输开门信号到PLC（车辆探测器也接收到信号）。

（3）闸机系统主板从刷卡器接收信息和实行信号处理，闸杆升起。

（4）探测器检测到通过闸机通道的全过程，并发出信号到完全通过闸机。

（5）在完全通过闸机后，闸杆下落。

（6）当通过通道时，如果忘记刷卡，或者刷了无效的卡，闸机系统将禁止通行，同时，将触发报警。报警信号将不会取消直到撤离闸机通道，只有再次有效刷卡后方可通过闸机。

（7）在车库闸机实时信号出现错误时，可以通过手动遥控来开启闸机。

综上所述，要求闸机具有相应控制功能，地感线圈及车辆检测器在检测到车辆后立即像PLC发出信号，PLC执行收到信号，控制闸杆进行开闸关闸的动作，此外，人体红外探测器检测到人体正在通过时将会自动报警，避免出现闸机下落的伤害事故。刷卡也成为了通过闸机的必要因素，不可刷无效卡，否则触发声光报警等。

第三章 车库闸机控制系统的硬件设计

3.1 车库闸机控制系统的组成

车库闸机控制系统包含PLC控制和动作的执行机构。

当感应器件（地感线圈、车辆检测器等）检测到车辆信号时，将信号传给PLC，PLC根据信号发出控制信号，使闸杆运行，完成起落等一系列动作。

3.2 可编程逻辑控制器（PLC）的选择

可编程逻辑控制器，简称PLC。它由继电器控制技术发展而来，但以电子计算机为基础。其通过执行用户在存储器中编写程序指令，将输入的状态信息传送给CPU在输出相应的的状态信息，通过输出接口传至外部电路，硬件设备做出信息中的动作。

PLC的工作流程是周期工作，运行周期主要划分为三个阶段，分别为输入采样阶段、程序执行阶段、输出更新阶段。

①第一阶段：此阶段一周期只读一次。输入映像寄存器是专门用于存储设备输入状态的存储区，当第一个周期状态被刷新后，信息会存储在输入映像寄存器，即使状态再次发生变化，也必须在下一周期信息才会被再次更新。

②第二阶段：CPU读取用户编写的指令，经过内部分析出相应的状态信息，然后输出映像寄存器接收到传送的信息，使其内部状态更新。当程序被读取一遍后，所有的输入输出信息都会依次刷新。

③第三阶段：按照用户程序要求，将最近一次更新收到的状态信息传送到输出锁存器，再经过输出接口传送至外部的电路或者负载，从而完成一系列动作，直到下一个循环周期到来。

此外，输出的反应相对于输入有滞后的现象，响应时间主要与程序的循环周期的长短有关，但是当系统较大，接口较多，程序较长时也会有一定的滞后现象。

3.2.1 PLC的特点

可编程控制器由传统继电控制为源头，改变了很多继电器控制的缺点，以工业控制的需要为基础，是针对于工业自动化控制的一种特殊设备，基本有以下几个特点：

（1）高信赖性，抗干扰性能力强。通过编写程序来完成控制功能，代替传统上的继电控制，减少线路对结果的影响。系统具有故障检测能力，且防风防尘，硬件的影响最大限度降低^[10]。

（2）结构形式多样，柔性高，灵活组合模块。需要小部分调整及改变时，对内部程序修改或者外部电路局部改动，就可实现对控制系统的灵活变化。

（3）功能强大，高性价比。过去使用的继电器控制等机电元件数量多，一个PLC的储存单元就可替代一个庞大继电器控制系统，而且PLC可实现多种控制，不管从性能方面还是功能角度考虑，PLC都具有无法比拟的优势。

（4）编程和使用方便。梯形图是在PLC编程中最简单也最基础的语言，它与继电控制的电路原理图表达相似，读者可以很快掌握语言的技巧与方法来进行编写成程序。

（6）安装、维修简单。故障信息会在软件上显示，体积小的PLC可以快速通过更换模块或者整体来解决故障。

3.2.2 输入输出I/O点数估算

I/O点数在估算时，合适的余量应被考虑，在一般情况，根据实际系统控制计算出输入输出点数后，为确保系统的功能能够全部实现，应再增加一部分可扩展模块，后期调整时也可直接添加输入输出。用扩展模块有足够的余量可以避免当主机的输入、输出点数不能达到控制要求。在实际操作中，制造厂商PLC的产品特点有很多不同，则需要对输入输出点数进行调整。

3.2.3 经济方面的考虑

PLC在进行选择时，需要考虑性价比。在考虑经济性时，同时可拓展性、简易操作、工作效率等因素都要进行考虑，进行比较与讨论，选出更满意的产品进行使用。输入、输出点数量对价格有直接影响，前提必须实现所有功能，在选用时应充分考虑I/O点数，进行较为准确地估算，降低整个控制系统的成本，从而有较合理的性价比。

3.2.4 PLC储存容量的估算

由于S7-200PLC主机型号的不同，其数字量、模拟量的扩展不同，都为独立的基本配置，结合每个主机特殊功能模块的考虑，本设计I/O点数为输入9点，输出4点选择西门子公司生产的CPU224型PLC来实现整个控制过程。在I/O点数确定后，应估算储存容量，另外再加20%~30%的余量。估算公式：存储容量=开关量I/O点数*10 模拟量I/O通道数*100。CPU224的程序存储器8K字节，数据存储器为2.5K字节。

CPU224模块提供主机I/O点有14个数字量输入点，10个数字量输出点，可以带7个扩展模块。

3.3感应器件的选择

感应器是接收信号或刺激并做出反应的器件，本文中主要的感应器件是地感线圈车辆检测器、IC卡和人体红外感应器等。课题中感应器件是指能将车辆重量或者人体体温转化成另一对应输出的装置。在一些自动化控制中，其在安防设备（例如本文中的闸机控制）中应用广泛。

3.3.1 地感线圈车辆检测器的选择

地感线圈车辆检测器是一种以电磁感应原理为基础的车辆检测器。在物理学上，地感线圈充分利用了磁场感应原理，地感线圈是振荡电路，将地表的沟槽下嵌入多匝导线，形成电感线圈，从而产生磁场。由于车辆本身是金属铁质，车辆进入会产生电磁感应原理，线圈内的磁通量发生变化，引起电流变化，从而产生电信号。检测器检验电信号来判断车辆通行状态。

本课题选用上海蔚立的FF46-1电感线圈。如3.1所示：

图3.1 电感线圈

3.3.2 IC卡的选择

IC卡是集成电路卡，其芯片具有写入数据和存储数据的能力，可对IC卡存储器中的内容进行判定。IC卡与读写器之间的通讯方式有两种，接触式和非接触式。由于IC卡具有体积小、携带方便、大容量、高可靠性、服务寿命长的特点，因此在金融、运输、医疗等行业被广泛使用。它将电子技术和计算机联系在一起，使人们工作更加便捷，不断提高生活现代化。

本课题采用的是普通的接触型存储器卡，IC卡读写器使用在市场上购买成品 IC卡读写器。如3.2所示：

图3.2 IC卡

3.3.3 人体红外感应器

人体感应探测器用来感知人体体温所释放的红外线，有人接近正在工作的闸机时，探测器可以立即检测出人体体温辐射出的红外线，那么探测器产生相应的报警信号，避免出现闸机下落的伤害事故，所以该硬件可以用来防止出现安全事故。该人体探测器为额外硬件，考虑到车库一般为车辆进入，不作为输入点。

本课题选用telesky旗舰店的HC-SR501人体红外感应模块。如3.3所示：

图3.3 人体红外感应模块

3.4 电机的选择

电机划分为两部分，直流电机和交流电机，而交流电机又分为两部分，同步电机和异步电机。直流电机的优点是电压的调整之后，转速也可做出相应调整，同时可以为系统提供较大转矩，更适合于需要频繁调节速度的负载。其缺点在于结构复杂，所以工艺要求高，制造成本也高，则故障率多，后期维护不方便。异步电机是应用最广泛的电机，因为它结构简单，性能稳定，维护方便，制造工艺要求低，价格便宜。而对于同步电机，其无法直接启动，需要异步启动或者变频启动^[11]。另外，如果没有励磁电流，同步电机就是异步的。

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